Το Μουσείο Προϊστορικής Θήρας είναι μοναδικό στο είδος του Περιφερειακό Μουσείο. Φιλοξενεί ευρήματα που προέρχονται από τις ανασκαφές της Εν Αθήναις Αρχαιολογικής Εταιρείας στο Ακρωτήρι, από τις παλαιές ανασκαφές του Γερμανικού Αρχαιολογικού Ινστιτούτου στη θέση Ποταμός, από τις ανασκαφές της ΚΑ΄ Εφορείας Αρχαιοτήτων σε διάφορες θέσεις της Θήρας, από περισυλλογές και παραδόσεις. Με την έκθεση γίνεται μια προσπάθεια να σκιαγραφηθεί η πορεία της Θήρας στους Προϊστορικούς χρόνους μέσω επιλεγμένων ευρημάτων από τις χιλιάδες που υπάρχουν στις αποθήκες, μια πορεία δυναμική και δημιουργική που κατέστησε το νοτιότερο νησί των Κυκλάδων ένα από τα σπουδαιότερα αιγαιακά κέντρα κατά τον 18ο και 17ο αιώνα π.Χ.
Το Μουσείο μπορεί να θεωρηθεί ως προέκταση του αρχαιολογικού χώρου του Ακρωτηρίου, αφού στεγάζει τις τοιχογραφίες αλλά και τα κινητά ευρήματα του αστικού αυτού κέντρου στην περίοδο της μεγάλης ακμής του (17ος αι. π.Χ.). Παράλληλα φιλοξενεί ευρήματα από πολλές άλλες θέσεις της Θήρας που χρονολογούνται από την 5η χιλιετία π.Χ. (Νεώτερη Νεολιθική περίοδος) ως τον 17ο αι. π.Χ. και δείχνουν το πέρασμα των ποικίλων πολιτισμών από το Αιγαίο σε μια μακρά περίοδο της προϊστορίας. Αξιοσημείωτο είναι και το γεγονός ότι όλα τα εκθέματα είναι σε εξαιρετική κατάσταση διατήρησης.
Η μόνιμη έκθεση του μουσείου στεγάζεται στο δεύτερο όροφο του κτηρίου (τρίτη στάθμη), εμβαδού 600 τ.μ., ενώ ο πρώτος όροφος (δεύτερη στάθμη) στεγάζει περιοδικές εκθέσεις, που παρέχουν τη δυνατότητα να ανακυκλώνεται το πολυπληθές υλικό των αποθηκών που καταλαμβάνουν το ισόγειο του κτηρίου (πρώτη στάθμη).